Fizicienii susțin că întregul Univers ar putea funcționa cu o singură constantă fundamentală: Timpul

Dacă v-ați bătut vreodată capul încercând să înțelegeți mecanismele interne ale cosmosului (un hobby pe care vi-l recomandăm cu căldură), probabil că v-ați lovit de lista intimidantă a așa-numitelor „constante” universale.

Vorbim despre acele valori fizice fixe care nu pot fi pur și simplu ghicite din teorie, ci trebuie determinate prin măsurători experimentale riguroase. Exemplele clasice includ viteza luminii, constanta lui Planck și constanta structurii fine (notă: aceasta din urmă este cea care le dă, de regulă, cele mai mari bătăi de cap studenților).

„Condițiile Universului pot fi descrise prin «constantele sale fundamentale» – mărimi fixe în natură, precum constanta gravitațională (G) sau viteza luminii (C)”, explica Martin Rees, profesor emerit de cosmologie și astrofizică la Universitatea din Cambridge, într-un articol pentru The Conversation.

„Există aproximativ 30 de astfel de constante, care reprezintă dimensiunile și intensitatea unor parametri precum masa particulelor, forțele sau expansiunea Universului. Dar teoriile noastre nu explică ce valori ar trebui să aibă aceste constante. În schimb, trebuie să le măsurăm și să introducem valorile lor în ecuațiile noastre pentru a descrie cu precizie natura.”, a mai spus profesorul Rees.

Fizicienii au depus eforturi colosale pentru a stabili valorile exacte ale acestor constante și relațiile dintre ele. În prezent, Sistemul Internațional de Unități se bazează pe șapte unități fundamentale: secunda, metrul, kilogramul, amperul, kelvinul, molul și candela. Dar oare de câte avem reale nevoie pentru a descrie Universul? Potrivit unui articol recent, răspunsul ar putea fi surprinzător de simplu: doar una. Timpul.

O constantă fundamentală: totul a început într-o cafenea de la CERN

Acest nou studiu este, de fapt, cel mai recent capitol dintr-o dezbatere care a început într-o cafenea de la CERN, în anul 1992. Acolo, trei fizicieni – Michael J. Duff, Lev B. Okun și Gabriele Veneziano – au realizat că nu pot cădea de acord asupra numărului exact de constante necesare pentru a descrie realitatea.

Acea discuție la cafea a escaladat până la publicarea a trei lucrări separate în anul 2002, fiecare cu o sugestie diferită: trei constante, două constante sau zero constante. Okun a pledat pentru trio-ul clasic necesar măsurării tuturor cantităților fizice: lungimea, masa și timpul. Veneziano a susținut că două sunt suficiente (lungimea și timpul), în timp ce Duff a fost de părere că totul depinde de modelul teoretic folosit.

„Obiectivul este de a găsi cea mai fundamentală descriere posibilă a fizicii. Întrebarea ridicată de Okun, Duff și Veneziano nu este deloc trivială. Ca fizicieni, ne confruntăm cu necesitatea de a înțelege care este numărul minim de standarde de care avem nevoie pentru a măsura totul.”, a explicat George Matsas, autorul principal al noului studiu, într-o declarație.

Ceasuri vs. Rigle: duelul Spațiu-Timpului

În cea mai recentă lucrare, echipa a încercat să determine câte constante sunt necesare pentru a descrie două tipuri diferite de spațiu-timp: versiunea galileană (cea folosită de Isaac Newton) și spațiul-timp Minkowski (soluția relativistă a ecuațiilor lui Einstein).

În spațiul-timp galilean – înainte ca lucrurile să devină ciudate și relativiste – spațiul și timpul sunt entități distincte și separate. Timpul este absolut și universal valabil pentru toți observatorii, iar distanțele sunt independente de timp. Nu poți deriva una din cealaltă. Autorii explică faptul că, în acest scenariu, alte unități (precum masa) pot fi definite folosind doar aceste două constante.

Totuși, când au analizat spațiul-timp Minkowski – care, în opinia autorilor, se aplică spațiului-timp relativist în general – au descoperit ceva fascinant: nici măcar lungimea nu mai este necesară.

„În spațiul-timp galilean, ai nevoie de rigle și ceasuri pentru a măsura toate variabilele fizice. În spațiul-timp relativist, însă, ceasurile sunt suficiente. Acest lucru se datorează faptului că, în relativitate, spațiul și timpul sunt atât de interconectate încât o singură unitate este suficientă pentru a descrie toate cantitățile. Ceasurile de înaltă precizie, precum ceasurile atomice utilizate astăzi, sunt capabile să satisfacă toate nevoile de măsurare.”, a clarificat Matsas.

Experimentul mental care elimină lungimea

Pentru a scoate lungimea din ecuație, echipa se folosește de un experiment cu ceasuri propus inițial de fizicianul canadian Bill Unruh.

În universul lui Minkowski, spațiul și timpul nu sunt independente; una poate fi derivată din cealaltă. Experimentul presupune doi observatori plasați la capetele opuse ale unei tije pe care doriți să o măsurați. Unul are două ceasuri, celălalt are unul singur.

Observatorul cu două ceasuri sincronizate le trimite de-a lungul tijei către cel de-al doilea observator. Acesta din urmă își sincronizează propriul ceas cu cel primit la finalul călătoriei și apoi îl trimite înapoi. Nu uitați: în spațiul-timp relativist, timpul este alterat de viteză. Folosind strict aceste măsurători de timp și diferențele apărute, este posibil să definim lungimea tijei fără a face referire la nicio altă constantă (cum ar fi viteza luminii).

În esență, echipa sugerează că orice unitate poate fi, de fapt, măsurată în termeni de o singură constantă: secunda. Aceasta este definită în prezent ca „durata a 9.192.631.770 de perioade ale radiației corespunzătoare tranziției dintre cele două niveluri hiperfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu-133”.

De ce nu vom renunța la kilogram prea curând

Deși ideea că timpul este singurul ingredient fundamental al rețetei cosmice este intrigantă, nu vă așteptați ca celelalte constante să dispară din manuale. Ele rămân incredibil de utile.

„Istoric, pe baza unui efort de standardizare adoptat în timpul Revoluției Franceze, kilogramul a fost definit ca masa unui litru de apă pură la o presiune și temperatură date. În termeni practici, este foarte convenabil să existe un standard de masă, dar din punct de vedere fundamental, nu este necesar. Masa unui corp este dată de accelerația cu care o particulă este atrasă atunci când se află la o anumită distanță de masă.”, a adăugat Daniel Vanzella, de la Institutul de Fizică São Carlos al Universității din São Paulo.

Studiul a fost publicat în jurnalul științific Nature Scientific Reports.